МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.Ф. Пичугин, Р.А. Сурменев, М.А. Сурменева ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ МЕТОДЫ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ И СОЗДАНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ МЕДИЦИНСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2013 УДК 615.47:621.793.74(075.8) ББК 34.7:34.663я73 П36 Пичугин В.Ф. <...> П36 Ионно-плазменные методы модифицирования поверхности и создания биосовместимых покрытий для медицинского применения: учебное пособие / В.Ф. Пичугин, Р.А. Сурменев, М.А. Сурменева; Томский политехнический университет. <...> В пособии даются основные понятия биомедицинского материаловедения и приведены основные классы биоматериалов, широко применяемых в современной медицине. <...> Физическая и химическая адсорбция на поверхности твердых тел . <...> Разработка и производство материалов на сегодняшний день работает в разных направлениях: создание биодеградируемых и трансдермальных полимерных систем с контролируемым и регулируемым высвобождением лекарственных веществ, термопластичных биофиксирующих материалов, материалов для систем инвазивной и неинвазивной диагностик; разработка медицинских стентов с биосовместимыми покрытиями из нано- и микроструктурных металлических и химически чистых полимерных слоев; создание биокомпозитов на основе наноструктурных металлических материалов (титана, титановых и цирконий-ниобиевых сплавов) и кальций-фосфатных покрытий; создание материалов для костного эндопротезирования на основе биоактивных стекол и стеклокристаллических материалов силикатных и фосфатных систем; разработка композитных систем на основе пористых металлических матриц <...>
Ионно-плазменные_методы_модифицирования_поверхности__и_создания_биосовместимых_покрытий_для_медицинского_применения.pdf
УДК 615.47:621.793.74(075.8)
ББК 34.7:34.663я73
П36
Пичугин В.Ф.
П36
Ионно-плазменные методы модифицирования поверхности и
создания биосовместимых покрытий для медицинского применения:
учебное пособие / В.Ф. Пичугин, Р.А. Сурменев, М.А. Сурменева; Томский
политехнический университет. − Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2013. – 160 с.
В пособии даются основные понятия биомедицинского материаловедения и
приведены основные классы биоматериалов, широко применяемых в современной
медицине. Изложены способы получения биосовместимых поверхностей, отдельно
представлены методы получения тонких биосовместимых покрытий на основе
кальций-фосфата. Пособие содержит основные аспекты науки о поверхности и тонких
пленках.
Предназначено для магистрантов, обучающихся по программе «Новые материалы
и технологии в медицине, медицинской технике и стоматологии» в рамках
направления 150600 «Материаловедение и технология новых материалов».
УДК 615.47:621.793.74(075.8)
ББК 34.7:34.663я73
Рецензенты
Доктор физико-математических наук заведующий лабораторией
Института физики прочности и материаловедения СО РАН
Ю.П. Шаркеев
Доктор технических наук заведующий лабораторией
Института сильноточной электроники СО РАН
Н.Н. Коваль
Доктор педагогических наук, профессор ТПУ
В.В. Ларионов
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Пичугин В.Ф., Сурменев Р.А.,
Сурменева М.А., 2013
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ........................................................................................................... 5
1. Требования, предъявляемые к материалам
медицинского применения .............................................................................. 7
1.1. Биосовместимость материалов для медицины .................................. 8
1.2. Физикo-механические и физико-химические свойства
биоматериалов ............................................................................................ 11
2. Материалы для медицины......................................................................... 17
2.1. Керамика .............................................................................................. 17
2.2. Полимеры ............................................................................................ 20
2.3. Металлы и сплавы .............................................................................. 28
3. Понятие плазмы и плазменные технологии ............................................ 36
3.1. Низкотемпературная плазма: основные понятия и свойства ......... 36
3.2. Плазменное осаждение покрытий ..................................................... 40
3.3. Плазменная модификация поверхности ........................................... 41
3.3.1. Основные физико-химические процессы, протекающие
при действии плазмы на полимерные материалы .............................. 42
3.3.2. Изменение контактных свойств поверхности полимеров ....... 44
3.3.3. Физико-химические основы плазмохимической
модификации .......................................................................................... 45
3.4. Плазменное травление и очистка поверхности ............................... 47
4. Основные процессы при плазменном формировании
биосовместимых покрытий ........................................................................... 48
4.1. Распыление мишени ........................................................................... 49
4.2. Перенос распыленного материала .................................................... 55
4.3. Осаждение материала ......................................................................... 55
5. Ионно-плазменные методы модифицирования поверхности
и получения биосовместимых покрытий .................................................... 62
5.1. Метод плазменного напыления ......................................................... 64
5.2. Магнетронное распыление ................................................................ 65
3
Стр.3
5.2.1. Движение заряженных частиц в электромагнитном поле ....... 71
5.2.2. Заряженная частица в электростатическом поле ..................... 72
5.2.3. Плоское движение заряженной частицы в однородном
магнитном поле ...................................................................................... 73
5.3. Высокочастотное магнетронное распыление .................................. 74
5.4. Реактивное магнетронное распыление ............................................. 79
5.5. Распыление многокомпонентных мишеней ..................................... 81
5.6. Отрицательное электрическое смещение на подложке .................. 82
6. Поверхностные явления ............................................................................ 86
6.1. Поверхностная энергия ...................................................................... 86
6.2. Физическая и химическая адсорбция
на поверхности твердых тел ..................................................................... 94
6.3. Кинетика процесса физической адсорбции ................................... 100
6.4. Кристаллическая структура и дефекты поверхности ................... 103
6.5. Механизмы роста пленок на реальных поверхностях .................. 114
6.6. Зародышеобразование ...................................................................... 123
6.7. Гомогенное зародышеобразование ................................................. 124
6.8. Гетерогенное зародышеобразование .............................................. 127
6.9. Зависимость зародышеобразования от температуры подложки и
скорости осаждения ................................................................................. 131
6.10. Кинетические модели зародышеобразования.............................. 133
6.11. Атомистические модели зародышеобразования ......................... 138
6.12. Коалесценция кластеров и истощение ......................................... 142
6.13. «Вызревание» Оствальда. Спекание ............................................. 143
6.14. Миграция кластеров. Коалесценция и размер зерен ................... 146
6.15. Структура и морфология тонких слоев ........................................ 149
Список литературы ...................................................................................... 151
4
Стр.4